成都市氣溶膠消光系數(shù)特征分析

葛　應(yīng)，劉志紅， 湯志亞

(成都信息工程學(xué)院　成都　610225)

· 試驗(yàn)研究 ·

成都市氣溶膠消光系數(shù)特征分析

葛應(yīng)，劉志紅， 湯志亞

(成都信息工程學(xué)院成都610225)

為了獲得成都地區(qū)氣溶膠消光系數(shù)的時(shí)空分布特征，對(duì)激光雷達(dá)自帶的消光系數(shù)產(chǎn)品進(jìn)行處理，并分析其時(shí)間變化趨勢(shì)，通過對(duì)數(shù)據(jù)整理后分析得出如下結(jié)論：氣溶膠主要分布在低層大氣中，在低層大氣中，秋冬季節(jié)的消光系較春夏季大，且在氣溶膠較大的季節(jié)里，氣溶膠的日變化及小時(shí)變化都比較劇烈。

微脈沖激光雷達(dá)；消光系數(shù)；時(shí)空分布；成都

1　引　言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大氣污染問題變得越來越嚴(yán)重，氣候也變得越來越復(fù)雜，空氣中的顆粒物給人們的身體健康帶來了嚴(yán)重的危害[1]。盡管氣溶膠在大氣中的含量相對(duì)較少,但它在大氣過程中所起的作用卻不容忽視，其突出的作用表現(xiàn)在其對(duì)大氣能見度、太陽散射和輻射、大氣溫度等具有較多影響。為了充分了解氣溶膠，很多科研人員對(duì)氣溶膠的性質(zhì)展開了研究。林燕芬等利用多種衛(wèi)星傳感器的觀測(cè)資料結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)氣溶膠及前體污染物的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析氣溶膠對(duì)降水、云、以及整個(gè)水循環(huán)過程的作用[2]。孫景群不僅進(jìn)行激光探測(cè)煙羽濃度時(shí)空分布的研究，還應(yīng)用激光探測(cè)結(jié)果研究煙羽粒子的污染擴(kuò)散規(guī)律。楊曉武利用上海市浦東區(qū)氣象局的MPL資料反演得到氣溶膠消光系數(shù)廓線，分析了消光系數(shù)的變化特征及與某些氣象要素關(guān)系。李成才等利用MODIS可見光通道AOT資料和MPL 523 nm氣溶膠消光系數(shù)垂直分布觀測(cè)資料，分析了珠江三角洲地區(qū)2003年6月一次氣溶膠污染過程中AOT的分布特征、氣溶膠消光系數(shù)廓線的演變，表明該污染過程是弱高壓控制下的區(qū)域性污染，香港地區(qū)污染物濃度的上升與區(qū)域性輸送有直接關(guān)系[3]。在成都地區(qū)，對(duì)氣溶膠的研究主要依賴于衛(wèi)星遙感以及太陽光度計(jì)數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星遙感及太陽光度計(jì)獲取的是整層大氣氣溶膠的光學(xué)厚度數(shù)據(jù)；對(duì)顆粒物PM2.5和PM10的測(cè)量數(shù)據(jù)是在某一固定高度上的，而激光雷達(dá)可以探測(cè)氣溶膠在垂直高度上的分布情況，且激光雷達(dá)因具有空間分辨率高，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于大氣監(jiān)測(cè)中，可以很好地彌補(bǔ)以上探測(cè)手段的不足，本篇文章中利用微脈沖激光雷達(dá)自帶的消光系數(shù)產(chǎn)品，分析成都地區(qū)2012年5月～2013年6月(2013年2月缺測(cè))氣溶膠消光系數(shù)分布特征，光學(xué)厚度能夠反應(yīng)大氣污染的程度，而氣溶膠消光系數(shù)在垂直高達(dá)上的積分得到氣溶膠的光學(xué)厚度，因而，氣溶膠消光系數(shù)在垂直高度上的分布情況能夠反映出大氣在垂直高度上的污染情況。因而，本課題具有重要的研究意義。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1激光雷達(dá)

近40年來，隨著人們對(duì)氣候和大氣環(huán)境日益增長(zhǎng)的關(guān)切和各方面技術(shù)的進(jìn)步，用于不同測(cè)量對(duì)象的激光雷達(dá)及理論算法有了長(zhǎng)足的發(fā)展，激光雷達(dá)制造技術(shù)也不斷創(chuàng)新。 微脈沖激光雷達(dá)MPL(The Micro pulse Lidar)是快速監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的新一代高技術(shù)產(chǎn)品。它根據(jù)大氣對(duì)激光的彈性散射、消光等物理效應(yīng)，通過探測(cè)大氣氣溶膠和云的激光后向散射回波，實(shí)現(xiàn)對(duì)幾公里乃至十幾公里范圍內(nèi)的大氣環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè) 監(jiān)測(cè)內(nèi)容可包括大氣氣溶膠的時(shí)空分布、云高和云層結(jié)構(gòu)、邊界層結(jié)構(gòu)等。通過計(jì)算獲得大氣能見度、消光系數(shù)廓線，直接給出了大氣氣溶膠的分布情況?？臻g分辨率可達(dá)十幾米。本實(shí)驗(yàn)所用的微脈沖激光雷達(dá)是中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研制，現(xiàn)位于成都信息工程學(xué)院航空港校區(qū)觀測(cè)場(chǎng)的樓頂，(N：30°34′45.27”E：103°59′22.16”)海拔高度487m，由于此微脈沖激光雷達(dá)是收發(fā)同軸系統(tǒng)，所以不需要對(duì)距離進(jìn)行校正；此微脈沖激光雷達(dá)空間分辨率為30m，最小探測(cè)高度是30m，最大探測(cè)高度30km，但是，由于成都地區(qū)空氣潮濕，含水量多，激光雷達(dá)衰減嚴(yán)重，所以實(shí)際有效探測(cè)高度只有2km左右；為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選擇的均是1500m以下數(shù)據(jù)，且研究期間所用數(shù)據(jù)均是激光雷達(dá)垂直觀測(cè)獲取的。

2.2MPL-TP技術(shù)指標(biāo)(表1)

表1　激光雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)

2.3氣溶膠消光系數(shù)數(shù)據(jù)處理

微脈沖激光雷達(dá)接收到的是回波光子數(shù)，根據(jù)微脈沖激光雷達(dá)方程，將激光雷達(dá)接收到的回波光子數(shù)反演為消光系數(shù)數(shù)據(jù)，每采集一次數(shù)據(jù)，就有對(duì)應(yīng)時(shí)間的消光系數(shù)數(shù)據(jù)，這是微脈沖激光雷達(dá)自帶的產(chǎn)品，經(jīng)過分析驗(yàn)證，此激光雷達(dá)自帶的消光系數(shù)產(chǎn)品具有良好的可靠性；激光雷達(dá)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作且每隔1分鐘采集一次數(shù)據(jù)，本文要分析一年的氣溶膠時(shí)空分布情況，數(shù)據(jù)量巨大；為了將所有的數(shù)據(jù)合理利用起來，首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，把明顯有問題的數(shù)據(jù)先剔除(即消光系數(shù)值為空的數(shù)據(jù))，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理；數(shù)據(jù)篩選的方法是利用matlab軟件編寫程序查找出不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工剔除，將剩余的數(shù)據(jù)按照不同的需求進(jìn)行分類處理，本文數(shù)據(jù)處理分為3類：(1)將各月份的數(shù)據(jù)分別累加起來求平均，得到各個(gè)月份消光系數(shù)的平均值，可以看出氣溶膠一年的變化趨勢(shì)；(2)將每天的數(shù)據(jù)累加起來求平均，得到消光系數(shù)的天平均值，可以看出消光系數(shù)月變化趨勢(shì)；(3)將每天的數(shù)據(jù)在整點(diǎn)處求平均，可以得到氣溶膠的時(shí)間變化趨勢(shì)。為了形象的分析氣溶膠消光系數(shù)的時(shí)空變化特征，將處理的結(jié)果以圖形化的方式表現(xiàn)出來，具體結(jié)果見圖1～圖4。

3　結(jié)果與分析[4～7]3.1　整層大氣消光系數(shù)特征分析

圖1為四川包括大石西路、金泉兩河、梁家港、靈巖山、三瓦窯、沙河鋪、十里店7個(gè)站點(diǎn)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)的月平均值，圖中可以看出，2013年3月和2013年4月PM2.5的濃度基本相同，2013年5月份PM2.5的濃度在這3個(gè)月份中最小，將此數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)探測(cè)的3、4、5月份30m高度處數(shù)據(jù)(圖2)比較發(fā)現(xiàn)，兩者的趨勢(shì)是一致的，因而利用激光雷達(dá)探測(cè)出的結(jié)果分析氣溶膠消光系數(shù)特征具有可靠性。

圖1　2013年成都地區(qū)PM2.5月平均值Fig.1　2013 monthly average of PM2.5 in Chengdu

圖2　2012年6月～2013年5月氣溶膠消光系隨高度變化Fig.2　The vertical variation of aerosolextinction coefficient from June 2012 to May 2013

從圖2可以看出，在垂直高度的分布上，在500m以上高度處，氣溶膠消光系數(shù)值基本不隨高度的變化而變化，消光系數(shù)值較小，且沒有明顯的季節(jié)趨勢(shì)，只能看出2012年12月份和次年一月份氣溶膠消光系數(shù)值相對(duì)較大，2013年4、5月氣溶膠消光系數(shù)值相對(duì)較小，說明500m以上高度層的氣溶膠較少；在500m以下210m以上高度區(qū)間，氣溶膠消光系數(shù)值隨著高度的增加而減小，且各月份變化趨勢(shì)比較一致但有明顯的區(qū)別，即在2012年6、7月份，氣溶膠消光系數(shù)值較小，其他月份氣溶膠消光系數(shù)值較大，其中2013年1月份最大，這主要與四川盆地氣候有著密不可分的關(guān)系，四川盆地夏季多雨，大氣中的氣溶膠通過雨水沖刷到地面，使得大氣中的氣溶膠減少；而冬季雨水較少，且四川周圍環(huán)山，污染物不易擴(kuò)散，只能不斷聚集，使得冬季的氣溶膠較多；在210m以下，氣溶膠消光系數(shù)沒有明顯的變化趨勢(shì)，但仍然是2012年6、7月份氣溶膠消光系數(shù)值較小，2013年1月份氣溶膠消光系數(shù)值較大。低層大氣氣溶膠消光系數(shù)值較大主要是因?yàn)榈蛯哟髿馀c人類活動(dòng)密切相關(guān)，通過對(duì)流作用低層的氣溶膠擴(kuò)散到高層，使得低層和高層大氣氣溶膠消光系數(shù)具有相同的變化趨勢(shì)。

圖3　氣溶膠消光系數(shù)年變化Fig.3　Yearly variation of aerosol extinction coefficient

圖4　氣溶膠消光系數(shù)最大值出現(xiàn)的高度Fig.4　 The height of the maximum aerosol extinction coefficient appear in each month

3.2低層大氣氣溶膠消光系數(shù)特征分析

在整個(gè)大氣層中，高層大氣氣溶膠消光系數(shù)值較小，氣溶膠消光系數(shù)主要集中在低層大氣中，低層大氣與人類的生活密切相關(guān)，因而研究低層大氣氣溶膠的時(shí)空分布情況對(duì)人們的生產(chǎn)活動(dòng)具有重要的指導(dǎo)意義。由圖2分析結(jié)果可知，210m以下氣溶膠沒有明顯的變化趨勢(shì)，因而主要分析研究210m以下氣溶膠時(shí)空分布情況。

3.2.1不同高度層消光系數(shù)年變化特征分析

從圖3中可以看出，氣溶膠在2012年6月、7月、8月、9月消光系數(shù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，9月份達(dá)到極大值，10月、11月份氣溶膠消光系數(shù)值有所下降，12月、次年1月又有所增長(zhǎng)，次年3月、4月、5月又有所下降。

成都市氣溶膠消光系數(shù)值之所以在9月與1月相對(duì)較大，是由于四川盆地四面高山阻擋，秋冬季雨水相對(duì)較少，空氣流動(dòng)慢，污染物不易擴(kuò)散，導(dǎo)致氣溶膠只能在成都上空不斷積累，消光系數(shù)值達(dá)到最大。其中30m處在10月～次年1月一直在增長(zhǎng)，整體而言，氣溶膠消光系數(shù)在夏季最小，在秋冬季節(jié)增長(zhǎng)并達(dá)到最大值，在春季又有所下降。在垂直高度的分布上，氣溶膠各個(gè)高度層變化趨勢(shì)基本一致，圖4為各月份氣溶膠消光系數(shù)最大時(shí)對(duì)應(yīng)的高度層；各高度層上氣溶膠消光系數(shù)值相差較小，只是在2012年9月和2013年1月份相對(duì)而言相差較大，在這兩個(gè)月份里，氣溶膠消光系數(shù)最大值分別出現(xiàn)在60m和90m處；30m高度處，氣溶膠從2012年6月一直增長(zhǎng)至2013年1月，之后氣溶膠消光系數(shù)又有所下降。對(duì)于30m處氣溶膠消光系數(shù)與其他高度層氣溶膠消光系數(shù)相差較大，主要原因是激光雷達(dá)雖然是收發(fā)同軸系統(tǒng)，不需要進(jìn)行距離校正，但實(shí)際上由于光學(xué)系統(tǒng)等原因使得激光雷達(dá)仍然存在探測(cè)盲區(qū)的問題，所以測(cè)得的30m處的消光系數(shù)數(shù)據(jù)要稍微偏小，但是這并不影響對(duì)30m高度層時(shí)間變化趨勢(shì)的分析。

3.2.2不同高度層月變化特征分析

由以上分析結(jié)果可知，氣溶膠主要集中在秋冬兩季，即2012年9月份～2013年2月份，由圖5看出，在這兩季氣溶膠的波動(dòng)較為劇烈，尤其是2012年12月份和2013年1月份最為明顯，呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀變化趨勢(shì)，各個(gè)高度層變化趨勢(shì)基本一致，12月份，30m以上高度層氣溶膠消光系數(shù)值變化趨勢(shì)一致，且各高度層氣溶膠消光系數(shù)值相差很小，只有90m處氣溶膠消光系數(shù)值相對(duì)較大，而在2013年1月份，各高度層消光系數(shù)值相差較大，最大值出現(xiàn)在90m高度處；在30m高度處，氣溶膠達(dá)到了30m處年變化的最大值，且30m處的氣溶膠消光系數(shù)值呈鋸齒形緩慢衰減，在秋冬季節(jié)的其他月份，氣溶膠消光系數(shù)值在2.0km-1處呈現(xiàn)小幅度的波動(dòng)；在春夏兩季，氣溶膠消光系數(shù)只有在2012年8月呈現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)，其他月份氣溶膠消光系數(shù)值基本保持穩(wěn)定，其中8月份明顯呈鋸齒狀緩慢上升趨勢(shì)。從總體來看，6月、7月份氣溶膠消光系數(shù)較小，8月份開始緩慢增加，9月份維持8月份的最大值且波動(dòng)較為劇烈，10月份氣溶膠消光系數(shù)值有所下降且波動(dòng)較為緩慢，11月份氣溶膠消光系數(shù)有所增加，且波動(dòng)程度有所增加，2012年的12月份和2013年的1月份氣溶膠快速增大且波動(dòng)劇烈，2013年的2月～2013年的5月氣溶膠消光系數(shù)有所下降并且變化程度緩慢。

圖5　氣溶膠消光系數(shù)月變化Fig.5　Monthly variation of aerosol extinction coefficient

圖6　氣溶膠消光系數(shù)日變化Fig.6　Daily variation of aerosol extinction coefficient

3.2.3不同高度層日變化特征分析

由以上分析可知，在秋冬季節(jié)，氣溶膠消光系數(shù)日變化特征明顯，2013年1月份最為明顯，從圖6中可以看出，2013年1月份，氣溶膠消光系數(shù)從凌晨開始就較大，在早晨9點(diǎn)達(dá)到一天中的最大值，9點(diǎn)～13點(diǎn)氣溶膠消光系數(shù)值減小，之后又開始增長(zhǎng)；在春季、秋季和冬季氣溶膠的時(shí)間變化趨勢(shì)一致，都是在凌晨氣溶膠增多，在7點(diǎn)左右達(dá)到最大值，之后又緩慢減小，在13點(diǎn)左右達(dá)到最小值，之后又緩慢上升，在成都，早上的上班時(shí)間在早上8點(diǎn)～9點(diǎn)之間，所以人們出行的時(shí)間大約在早上7點(diǎn)，即在7點(diǎn)左右出現(xiàn)人流高峰期，在這個(gè)時(shí)間段各種機(jī)動(dòng)車非機(jī)動(dòng)車等的尾氣以及汽車行駛過后的揚(yáng)塵等增多，從而使大氣中的氣溶膠增多，故此時(shí)的氣溶膠消光系數(shù)值最大；2013年1月份是農(nóng)歷的春節(jié)期間，人們出行的時(shí)間大概延遲到9點(diǎn)左右，因而氣溶膠消光系數(shù)最大值出現(xiàn)的時(shí)間也會(huì)延遲到9點(diǎn)左右。在夏季，氣溶膠消光系數(shù)只是在7點(diǎn)左右達(dá)到一個(gè)最大值，之后緩慢減小并基本穩(wěn)定在1.0km-1左右；在垂直高度的分布上，秋冬季節(jié)30m高度處的氣溶膠消光系數(shù)明顯增大，2012年12月份和2013年1月份7點(diǎn)以前各高度層氣溶膠消光系數(shù)值相差較大，其他各個(gè)時(shí)間各高度層氣溶膠消光系數(shù)值變化趨勢(shì)基本一致且其差值較小。

4　結(jié)　論

綜合上述分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

4.1一年四季中，秋冬季節(jié)氣溶膠消光系數(shù)較大，其日變化呈鋸齒狀，且其波動(dòng)幅度較大，小時(shí)變化有明顯的峰谷值，即小時(shí)變化幅度也較大；相反，在春夏季，氣溶膠消光系數(shù)較小，日變化的變化幅度較小，小時(shí)變化基本在較小值附近波動(dòng)，且波動(dòng)幅度較小。

4.2垂直高度上，在氣溶膠消光系數(shù)值比較高的秋冬季節(jié)，各個(gè)高度層的日變化趨勢(shì)不一致，尤其在12月份和次年一月份的日變化中，30m高度處氣溶膠消光系數(shù)達(dá)到整年中30m高度處的最大值；年變化和時(shí)間變化中，各個(gè)高度層的變化趨勢(shì)基本一致，但是各高度層上氣溶膠消光系數(shù)值相對(duì)較大。相反，春夏季，各個(gè)高度層氣溶膠消光系數(shù)值變化趨勢(shì)基本一致，且各高度層上氣溶膠消光系數(shù)值相差不大。

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Analysis of Characteristics of Aerosol Extinction Coefficient of Chengdu

GE Ying,LIU Zhi-hong,TANG Zhi-ya

(ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225,China)

In order to learn the spatial and temporal characteristics of aerosol extinction coefficient in Chengdu, this study analyzed the time change trend of the aerosol extinction coefficient by laser radar which had inner extinction coefficient processing system. The result showed that aerosols were mainly distributed in the lower atmosphere. In the lower atmosphere, the extinction in autumn and winter is higher than that in spring and summer. In the seasons of higher aerosols, the daily changes and hourly changes of the aerosol are dramatic.

Micro pulse lidar; extinction coefficient; temporal and spatial distribution; Chengdu

2014-07-03

四川環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院四川氣溶膠多源遙感反演與時(shí)空分析項(xiàng)目(D0503 大氣遙感和大氣探測(cè))。

葛應(yīng)(1989-)，女，江蘇連云港人，成都信息工程學(xué)院電子與通信工程專業(yè)2012級(jí)在讀研究生，主要研究方向?yàn)榇髿馓綔y(cè)。

X51

A

1001-3644(2015)01-0038-06